前沿科技之生物計(jì)算機(jī) 能破譯DNA芯片圖像

掃街

據(jù)美國物理學(xué)家組織網(wǎng)2月8日(北京時(shí)間)報(bào)道，美國加州斯克里普斯研究院和以色列理工學(xué)院科學(xué)家開發(fā)出一種生物計(jì)算機(jī)，目前可用于破譯存儲在DNA芯片中的加密圖像。這是首次通過實(shí)驗(yàn)演示基于DNA計(jì)算的分子圖像密碼系統(tǒng)。相關(guān)論文發(fā)表在最新一期《應(yīng)用化學(xué)》上。
  w1 o5 p. E  x) Z
電子計(jì)算機(jī)由硬件、軟件、輸入和輸出4個(gè)部分構(gòu)成，輸入、輸出的是電子信號，硬件是各種金屬、塑料、導(dǎo)線、晶體管的復(fù)雜組合，軟件是一系列電子信號形式的機(jī)器指令。而生物計(jì)算機(jī)這4個(gè)部分全是分子，所有生物系統(tǒng)甚至整個(gè)有機(jī)生物界、每個(gè)人都是一臺生物分子計(jì)算機(jī)，其硬件和軟件是復(fù)雜的生物分子，分子之間能有邏輯地進(jìn)行“交談”。它們互相激活，執(zhí)行某個(gè)預(yù)定的化學(xué)反應(yīng)。輸入是一種經(jīng)過特殊預(yù)定變化的分子，遵循一套特殊的法則(軟件)，這種化學(xué)計(jì)算過程的輸出，是另一種明確規(guī)定好了的分子。

新開發(fā)的生物計(jì)算機(jī)是把化學(xué)成分和一種裝有溶液的管子連接在一起，溶液中混合著各種不同的小DNA分子、經(jīng)過選擇的DNA酶和ATP(三磷酸腺苷)。“這是一種清澈的溶液，你看不到任何東西。”領(lǐng)導(dǎo)該研究的以色列理工學(xué)院教授艾胡德·柯南說，“當(dāng)分子開始相互作用，我們就可以靜候結(jié)果。還可以調(diào)整混合液中DNA和DNA酶改變處理過程，以得到想要的結(jié)果。”
6 I" G4 Z  f# b7 q1 @
生物計(jì)算機(jī)是根據(jù)圖靈機(jī)的模型設(shè)計(jì)的，圖靈機(jī)的操作與DNA鏈極為相似。閱讀開端從一個(gè)字母到另一個(gè)字母，在每個(gè)位點(diǎn)都執(zhí)行4步操作：閱讀字母；用另一個(gè)字母替代該字母；改變它的內(nèi)部形態(tài)；移動到下一個(gè)位置。一張指令表就是翻譯規(guī)則或翻譯軟件，指示這些操作。“我們的設(shè)備是圖靈機(jī)的簡化版。”柯南說。

柯南還指出，對于傳統(tǒng)計(jì)算任務(wù)而言，電子計(jì)算機(jī)速度更快、更可靠，生物計(jì)算機(jī)的主要優(yōu)勢在于其生物特性。人們能把大量信息經(jīng)過加密存儲在DNA芯片中，生物計(jì)算機(jī)處理單個(gè)步驟雖然比電子計(jì)算機(jī)要慢，但它能平行處理數(shù)萬億的化學(xué)步驟，使整體計(jì)算過程非常快。“這種技術(shù)讓我們能在一個(gè)芯片中印上數(shù)百萬像素，經(jīng)過加密后，這種芯片能存儲的圖像數(shù)量可以達(dá)到天文數(shù)字。”
- ?% p- I6 j: o
此外，這種設(shè)備能直接和生物系統(tǒng)甚至活的有機(jī)生物相互作用，因?yàn)榉肿佑?jì)算機(jī)的4個(gè)組成部分之間都不需要接口，溶液中的分子會以一種瀑布般方式按照編好的程序進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)。